Спутниковое радиозондирование ионосферы из окрестности главного максимума концентрации электронов (04.10.2010)

Автор: Котонаева Надежда Геннадьевна

обоснование целесообразности применения радиозондирования со спутников с высотой орбиты, сравнимой с высотой главного максимума концентрации ионосферы, для обеспечения глобального и непрерывного мониторинга высотного распределения электронной концентрации ионосферы;

морфологический анализ и классификация экспериментального материала радиозондирования ионосферы с ОК «Мир»;

разработка алгоритмов расчета характеристик многочастотного распространения радиоволн, в частности частотных зависимостей действующих дальностей и вида траекторий, возвращающихся на спутник;

разработка алгоритмов и математических моделей неоднородного распределения электронной плотности в ионосфере, в рамках которых возможно решение обратной задачи радиозондирования ( восстановление распределения электронной концентрации;

апробация программ реконструкции пространственных распределений электронной концентрации ионосферы Земли по результатам спутникового зондирования с ОК «Мир»;

разработка методик восстановления профилей электронной концентрации по следам трех компонент магниторасщепленного сигнала в окрестности максимума электронной плотности;

разработка рекомендаций для практической реализации данных радиозондирования с низкоорбитальных спутников и станций наземного зондирования для их локальной экстраполяции в районах, прилежащих к местам проведения экспериментов на основании соотношений планетарного распределения электронной плотности, заложенных в международную эмпирическую модель ионосферы.

Объект исследования – спутниковое радиозондирование ионосферы из окрестности главного максимума концентрации электронов.

Предмет исследования – ионограммы спутникового радиозондирования ионосферы из окрестности главного максимума, как средство определения электронной пространственной структуры ионосферы.

Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования. Эмпирической основой для решения поставленных задач стали результаты натурного эксперимента по спутниковому зондированию ионосферы с использованием ионозонда ИОН-1 автоматической ионосферной станции (АИС) АИ-804, установленного на ОК «Мир» с высотой орбиты порядка 350 км. Для анализа использовались экспериментальные ионограммы в цифровой записи, полученные с ОК «Мир», результаты наземного радиозондирования со станций, использованные для сравнения со спутниковым экспериментом, результаты томографического исследования ионосферных разрезов по данным GPS-сигналов в цепочке ионосферных станций Италии. Кроме этого использовалась эмпирическая модель ионосферы IRI-2001. Методологической основой для математического моделирования и интерпретации результатов эксперимента явились современные методы вычислительного эксперимента при задании характеристик ионосферы на основе коррекции международной модели с внесением внутренних горизонтальных возмущений электронной плотности. Решение задач осуществлялось с использованием апробированных методов теории распространения радиоволн в ионосфере, методов математического анализа, математической физики, математической статистики. Теоретической основой диссертации стали работы по ионосфере и распространению радиоволн Я. Л. Альперта, Ф. Б. Черного, К. Девиса, Г. Байнона, Дж. А. Ратклиффта, М. П. Долуханова и др., работы А.Н. Тихонова по обоснованию метода математического моделирования, работы Н.П. Данилкина, П. Ф. Денисенко, О.А. Мальцевой, И.И. Иванова по определению пространственных и временных характеристик ионосферы по данным наземного, спутникового и трансионосферного радиозондирования, работы Д. Титриджа по методам расчета зависимостей электронной концентрации ионосферы от высоты, работы М. Д. Флигеля по анализу сложных ионограмм траекторными методами, работы Ю. А. Кравцова, Ю.И. Орлова, Р.С. Лоуренса, Д. Дж. Пасакони по методам расчета траекторий распространения радиолуча в ионосфере и др. Обработка ионограмм осуществлялась в соответствии с рекомендациями международного Радиосоюза, изложенными в «Руководстве URSI по интерпретации и обработке ионограмм».

Достоверность и обоснованность результатов и выводов диссертационной работы определяется использованием адекватного математического аппарата, согласованностью результатов вычислительных экспериментов с результатами натурных исследований и результатами теоретического анализа, соответствием полученных экспериментальных данных с данными других исследований, а также выводами других авторов.

Научные результаты, выносимые на защиту

Установлена эффективность метода радиозондирования с высот порядка 350 км в определении основных параметров ионосферы, состоящая в том, что данный метод позволяет вычислять высоту расположения максимума и величину концентрации в нем не менее уверенно, а во многих случаях и с меньшей погрешностью, чем радиозондирование с других высот, а так же в том, что полученные данные по критической частоте слоя F2 могут быть использованы не только в точках зондирования, но и экстраполированы на области в окрестности орбиты ИСЗ.

Выявлена возможность использования метода радиозондирования с высот порядка 350 км как средства контроля состояния ионосферы Земли, заключающаяся в том, что радиозондирование ионосферы с высот ниже высоты максимума электронной концентрации особенно чувствительно к наличию горизонтальных градиентов электронной концентрации. Наличие крупных неоднородностей в районе зондирования вызывает на ионограммах дополнительные следы с большими групповыми задержками.

Предложено объяснение новых ионограмм с дополнительными следами с высот ниже главного максимума ионосферы, состоящее в том, что наличие на ионограммах задержанных нижних следов с большими групповыми задержками вызывается фокусировкой радиоволн многих частот на спутник вследствие рефракции на резких горизонтальных градиентах концентрации электронов в структурах ионосферы как регулярного, так и нерегулярного характера.

Разработана методика выделения крупномасштабных нерегулярных элементов локальной структуры ионосферы, состоящая в анализе возможных траекторий зондирующих лучей в модельной ионосфере с целью выбора тех из них, чьи действующие дальности соответствуют экспериментальным на каждой частоте зондирования.

Проведено исследование элементов глобальной структуры ионосферы ниже высоты максимума ее концентрации в областях экваториальной аномалии, состоящее в построении электронной пространственной структуры локальной ионосферы в районе зондирования.

Проведено исследование элементов локальной ионосферы – нерегулярных структур больших масштабов, состоящее в построении распределения электронной плотности, вычислении величины горизонтального градиента концентрации и скорости перемещения неоднородности.

Доказана возможность существования критической частоты z-компоненты магниторасщепленного сигнала при радиозондировании из окрестности максимума концентрации электронов ионосферы и возможность использования следа z-моды при расчете вертикальных профилей концентрации.

Научная новизна результатов исследования:

впервые обоснована практическая целесообразность применения низкоорбитальных спутников в космическом сегменте системы мониторинга ионосферы, отличающаяся тем, что в сегмент вводятся низкоорбитальные КА, выполняющие с одной стороны функцию уточнения главных параметров ионосферы, полученных другими методами в рамках сегмента, а с другой стороны предназначенных для обнаружения резких горизонтальных градиентов концентрации электронов;

на основе морфологического анализа и классификации результатов радиозондирования с ОК «Мир» установлены новые частотно-высотные характеристики ионосферы, которые определяются по ионограммам спутникового радиозондирования (действующая глубина задержанного нижнего следа на наибольшей частоте его существования, критическая частота z-моды и новое взаимное расположение частоты отсечки о-компоненты и наименьшей частоты отражения от Земли);

впервые было найдено новое физическое явление, которое состоит в том, что радиозондирование с высот ниже максимума ионосферы в большинстве случае приводит к образованию ранее неизвестного тракта наклонного распространения радиоволн в широком диапазоне частот с возвращением на ИСЗ;

впервые было показано, что это явление находит свое отражение на спутниковых ионограммах в виде ранее неизвестного следа характерной формы, отличающегося непрерывностью и большими монотонными возрастающими по частоте групповыми задержками. Новый след получил название «задержанный нижний след» (ЗНС), в англоязычной литературе – (RLT);

впервые было показано, что причиной появления ЗНС является наличие горизонтальных градиентов электронной плотности различного характера вблизи максимума ионосферы;

впервые построено пространственное распределение электронной плотности краев крупномасштабных неоднородностей, вызывающих появление траекторий радиосигнала, возвращающихся на спутник при наклонном распространении, получены оценки их скорости движения, а так же оценки градиентов роста электронной концентрации;

разработаны алгоритмы и апробированы программные средства, предназначенные для определения горизонтального распределения электронной концентрации ионосферы Земли по данным радиозондирования с низколетящих спутников в случае наличия дополнительных следов на ионограммах, отличающиеся тем, что позволяют рассчитывать полный комплекс траекторий радиолучей, распространяющихся от передатчика ионозонда в неоднородной ионосфере и возвращающихся обратно в точку излучения;

впервые были обнаружены z-следы, достигающие максимума ионосферы, даны теоретические оценки интервала высот, в которых след z-компоненты достигает высоты максимума, обоснована и доказана возможность использования z-моды для расчета N(h)-профилей, и проведены соответствующие расчеты, показавшие возможность использования z-следа наравне со следами о- и х-компонент.

Теоретическая и практическая значимость работы

Теоретическая значимость результатов исследования характеризуется:

обоснованием нового метода спутникового зондирования, получившего в литературе название метода внутреннего спутникового радиозондирования;

выдвинутыми автором аргументами, подтверждающими гипотезу о возникновении особого тракта распространения в ионосфере радиоволн многих частот, фокусируемых в точку излучения горизонтальными градиентами электронной плотности;

раскрытием существенных проявлений теории z-волны, объясняющими возможность определения критической частоты ионосферы;

выделением новой проблемы, подлежащей последующему исследованию, заключающейся в том, что радиозондирование с высоты максимума позволяет изучать неоднородности ионосферы новым способом.

Практическая значимость результатов исследования определяется:

проделанным в работе анализом экспериментального материала, разработанными методами и проведенными численными исследованиями, которыми было показано, что радиозондирование с низких высот, обладает в большинстве случаев не меньшими возможностями, чем радиозондирование с высоты 1000 км. Тем самым было экспериментально подтверждено, что радиозондирование с целью определения основных параметров ионосферы можно проводить практически с любой высоты расположения КА, что имеет важное практическое значение для организации космического сегмента Ионосферной службы.

исследованием, ранее неизвестного механизма возвращения радиолучей обратно на ИСЗ при наличии ионосферных неоднородностей и построением модели распространения соответствующего многочастотного сигнала. Разработанные модели возвращаемого на ИСЗ многочастотного сигнала нашли применение при изучении пространственной структуры градиентов электронной концентрации, которые во многих случаях являются определяющими при проектировании и использовании систем радиосвязи через ионосферу.

разработкой методов определения пространственной структуры ионосферной неоднородности и построением соответствующих моделей. Эти модели могут быть использованы в расчетах параметров ионосферы, определяющих условия распространения радиоволн.

разработкой метода использования z-следа в комплексе со следами о- и х-компонент для определения основных параметров ионосферы и N(h)-профилей в окрестности максимума электронной концентрации.

разработкой метода использования ионосферной информации, объединяющего данные наземного и спутникового радиозондирования, для построения карт критической частоты ионосферы. Разработанный метод, соответствующие алгоритмы, а также сами карты, могут использоваться при оперативном мониторинге ионосферы.


загрузка...